使用Opengl PBO上传下载数据

PBO(pixel buffer object)是储存像素数据的缓冲区对象，主要有两个用途：
1. 上传一帧像素数据到PBO中，GL_UNPACK_ALIGNMENT

2. 从PBO中读取像素到cpu内存空间, GL_PIXEL_PACK_BUFFER

其实不使用PBO也可以上传下载数据，那么PBO好处何在？我们对比两种方式上传yuv420数据：

使用PBO的方法：

1. 创建用于上传像素数据的PBO buffer

glGenBuffers(1, pbo);
glBindBuffer(GL_PIXEL_UNPACK_BUFFER, pbo[i]);
glBufferData(GL_PIXEL_UNPACK_BUFFER, data_size, NULL, GL_STREAM_DRAW);

2. 创建texture用于存储数据，只用GL_RED

glGenTextures(1, texture);
glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, texture[0]);
glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, GL_RED, W, H, 0, GL_RED, GL_UNSIGNED_BYTE, NULL);
glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GL_LINEAR);
glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GL_LINEAR);
glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_S, GL_CLAMP_TO_EDGE);
glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_T, GL_CLAMP_TO_EDGE);

3. 对于一对PBO buffer和texture，首先pbo buffer绑定用于上传数据的GL_PIXEL_UNPACK_BUFFER

GLubyte* dst;
glBindBuffer(GL_PIXEL_UNPACK_BUFFER, pbo[0]);

4. 通过glMapBuffer拿到地址，并把需要上传的数据拷贝到其中

dst = (GLubyte*)glMapBuffer(GL_PIXEL_UNPACK_BUFFER, GL_WRITE_ONLY);
av_assert0(dst);
memcpy(dst, data, W*H); // data is Y/U/V buffer
glUnmapBuffer(GL_PIXEL_UNPACK_BUFFER);

5. 绑定texture，通过调用glTexSubImage2D把pbo的数据拷贝到texture里

glActiveTexture(GL_TEXTURE0);
glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, texture[0]);
glPixelStorei(GL_UNPACK_ALIGNMENT, 4); // TODO
glPixelStorei(GL_UNPACK_IMAGE_HEIGHT, H); // image height in client memory
glPixelStorei(GL_UNPACK_ROW_LENGTH, W); // pitch in client memory
glTexSubImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, 0, 0, W, H, GL_RED, GL_UNSIGNED_BYTE, 0);

对比不使用PBO的方法，很简单，直接从memory地址读取：

glGenTextures(1, texture);
glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, texture[0]);
// 创建texture
glTexImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, GL_RED, W, H, 0, GL_RED, GL_UNSIGNED_BYTE, NULL);
glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MAG_FILTER, GL_LINEAR);
glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_MIN_FILTER, GL_LINEAR);
glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_S, GL_CLAMP_TO_EDGE);
glTexParameteri(GL_TEXTURE_2D, GL_TEXTURE_WRAP_T, GL_CLAMP_TO_EDGE);
// 直接从bufDataPtr地址读取内容到texture
glTexSubImage2D(GL_TEXTURE_2D, 0, 0, 0, W, H, GL_RED, GL_UNSIGNED_BYTE, bufDataPtr);

简单来说，对比不使用pbo的方法，glTexSubImage2D会造成cpu阻塞，而使用pbo的话glTexSubImage2D则会立刻返回。具体分析如下：

PBO的主要优点是可以通过DMA (Direct Memory Access) 快速地在显卡上传递像素数据，而不影响CPU的时钟周期（中断）。另一个优势是它还具备异步DMA传输。对比使用PBO前后的纹理传送方法。首先，资源被加载到系统内存中，然后使用glTexSubImage2D()函数从系统内存复制到OpenGL纹理对象中(Client->Server)。这两次数据传输(加载和复制)完全由CPU执行。

使用PBO的情况下，PBO是由OpenGL控制的。虽然CPU有参与加载纹理到PBO，但不涉及将像素数据从PBO传输到纹理对象的工作，而是由GPU(OpenGL驱动)来负责PBO到纹理对象的数据传输的，这也就意味着OpenGL执行DMA传输操作不会占用CPU的时钟周期。此外，OpenGL还可以安排稍后执行的异步DMA传输。所以glTexImage2D()或者glTexSubImage2D（）可以立即返回，CPU也无需等待像素数据的传输了，可以继续其他工作。

下面是使用PBO的方式下载数据到cpu内存：

1. 创建PBO buffer

glGenBuffers(1, pbo_down);
data_size = W * H;
glBindBuffer(GL_PIXEL_PACK_BUFFER, pbo_down[0]);
glBufferData(GL_PIXEL_PACK_BUFFER, data_size, NULL, GL_STREAM_READ);

2. 绑定希望输出的FBO

GLubyte* src;
glBindFramebuffer(GL_FRAMEBUFFER, fbo_render[0]); 

3. 准备读取GL_COLOR_ATTACHMENT0对应的texture内容

glReadBuffer(GL_COLOR_ATTACHMENT0);
glPixelStorei(GL_PACK_ALIGNMENT, 4); // TODO
glPixelStorei(GL_PACK_IMAGE_HEIGHT, H); // image height in client memory
glPixelStorei(GL_PACK_ROW_LENGTH, W);   // pitch in client memory

4. 绑定GL_PIXEL_PACK_BUFFER到刚创建的下载用pbo buffer

glBindBuffer(GL_PIXEL_PACK_BUFFER, pbo_down[0]);

5. 通过glReadPixels从GL_COLOR_ATTACHMENT0读取纹理信息到绑定在GL_PIXEL_PACK_BUFFER上的pbo_down

glReadPixels(0, 0, W, H, GL_RED, GL_UNSIGNED_BYTE, 0);

glBindFramebuffer(GL_FRAMEBUFFER, 0);

6. 通过glMapBuffer拿到GL_PIXEL_PACK_BUFFER地址，通过memcpy拷贝出来到cpu内存

src = (GLubyte*)glMapBuffer(GL_PIXEL_PACK_BUFFER, GL_READ_ONLY);
av_assert0(src); // TODO
av_assert0(out->data[0]);
memcpy(out->data[0], src, W*H);
glUnmapBuffer(GL_PIXEL_PACK_BUFFER);
glBindBuffer(GL_PIXEL_PACK_BUFFER, 0);

相比之下，不使用pbo的简单方法，直接读取到cpu分配的内存downloadData里：

glReadPixels(0, 0, W, H, GL_RED, GL_UNSIGNED_BYTE, downloadData);